DE2557949A1

DE2557949A1 - Laser-impuls-verstaerker

Info

Publication number: DE2557949A1
Application number: DE19752557949
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Farcy
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1975-12-22
Publication date: 1976-07-01
Also published as: IT1051184B; JPS5192196A; CA1058731A; GB1515880A; FR2296288A1; BE837022A; FR2296288B1; JPS5939916B2; US4093924A

Description

Las er-Impuls-Verstärker

Die Erfindung betrifft einen Verstärker für von einem Laser-Oszillator abgegebene Laser-Impulse, wobei die Verstärkung durch Mehrfachdurchtritt des Laser-Strahls bzw. Laser-Strahlenbündels in einem Licht-Verstärkermaterial bzw. lichtverstärkenden Las er-Material erfolgt, das durch eine Hilfs-Anregungsquelle gepumpt ist. Der Ausgangs-Impuls nach den mehrfachen Durchtritten im Verstärker ist sehr kurz und hochenergetisch.

Die kurzen und energiereichen Lichtimpulse finden große industrielle Anwendung, z. B. in der Forschung für die gesteuerte Fusion, für das Schweißen oder das Bohren von Metallen, usw.

Ein insbesondere für die Erfindung geeignetes Verstärkermaterial ist ein lichtverstärkendes Laser-Material, das Stickstoff, Kohlendioxid und Helium enthält, das zwischen zwei Vibrations-Rotations -Linien des Kohlendioxids wirkt, was einer Emission im Infrarotbereich bei z. B. 10,6 ,um

entspricht.

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Ein Kohlendioxid-Laser-Oszillator gibt einen kurzen Impuls in der Größenordnung weniger Nanosekunden jedoch mit geringer Energie ab, der verstärkt wird, damit er hohe Energie besitzt, wozu insbesondere der erfindungsgemäße Verstärker anwendbar ist.

Bei derartigen Lasern, Oszillatoren oder Verstärkermaterialien, wird das Kohlendioxid üblicherweise mittels elektrischer Entladung angeregt. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Lasers wird das Kohlendioxid mit Stickstoff und ggf. mit Helium gemischt, wobei das Misch-Gas der gleichen elektrischen Entladung ausgesetzt ist. Der Stickstoff überträgt danach an das Kohlendioxid einen Teil der Anregungsenergie, die er durch die Entladung erhalten hat. Wenn eine Anregungs-Einrichtung.wie die elektrische Entladung dem aktiven Bereich bzw. aktiven Material, wie einem Kohlendioxid-Stickstoff-Gemisch eine Anregungsenergie zuführen, wird bekanntlich diese Energie durch Besetzungs-Übertragung oder -übergang zwischen verschiedenen Energie -Niveaus des aktiven Materials gespeichert. Da nun diese Übergänge eine Besetzungs-Umkehr (französischtinversion de population) erzeugen, kann dort die Verstärkung eines Lichtimpulses durch stimulierte Emission erreicht werden. Im Kohlendioxi'd-Stickstoff-Gemisch werden die zahlreichen bestimmten Energie^NiveauSs während des Anregungs- und Verstärkungsprozesses betrieben. Diese Niveaus sind wie der Prozeß des Besetzungs-Übergangs zwischen den verschiedenen Niveaus dem Fachmann bekannt. Zur Vereinfachung genügt es lediglich vier Energie-Niveaus zu betrachten, nämlich in Reihenfolge abnehmendem Energie:

Ein hohes Zusatz- oder Zwischen-Niveau, ein hohes Las er-Niveau,

ein niedriges Laser-Niveau,

ein niedriges Zwischen-Niveau.

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Bekanntlich stellt sich bei Temperaturausgleich zwischen den Niveaus durch spontane Übergänge eine bekannte Besetzungs-Verteilung ein, bei der die Besetzung um so größer ist je niedriger das Energie-Niveau ist. In einem ersten Prozeß- oder Verfahrensschritt wird die Besetzung des hohen Laser-Niveaus größer gemacht als die des niedrigen Laser-Niveaus, d. h., daß eine Besetzungs-Umkehr oder -Lnversion erfolgt, die von einer Energieabsorption durch das aktive Material begleitet ist. In einem zweiten Vers t ärkungs-Verfahrensschritt erfolgt ein Besetzungs-Übergang vom hohen Laser-Niveau zum niedrigen Laser-Niveau, wobei dieser Übergang durch die zu verstärkende Strahlung stimuliert ist und an die Strahlung Energie abgibt "zu deren Verstärkung, solange die Besetzungs-Umkehr anhält. Die durch den Verst ärkungs-Verfahrensschritt der Strahlung zugeführte Energie scheint unter diesen Bedingungen durch die durch das aktive Material gespeicherte Energie in Form der Besetzungs-Umkehr zwischen dem hohen und dem niedrigen Las er .-Niveau, begrenzt zu sein. Die durch den V erst ärkungs -Verfahrensschritt der Strahlung zugefünrte Energie kann jedoch größer sein als die ursprünglich durch das aktive Material in Form der Besetzungs Umkehr zwischen dem hohen und dem niedrigen Laser-Niveau gespeicherte Energie. Das beruht darauf, daß ein Teil der durch die Anregungs-Einrichtung zugeführt«iEnergie im aktiven Material durch eine Besetzungs-Erhöhung des mindestens einen hohen Zwischenrüveaus gespeichert ist, und daß auch eine Besetzungs-Verringerung des mindestens einen niedrigen Zwischen-Niveaus erfolgt ist, im Vergleich zur Gesamt-Besetzung der Laser-Niveaus und im Vergleich zurjyerteilunglbei Temperaturausgleich oder -gleichgewicht. Während der Verstärkungs-Verfahrensschritt eine Verringerung der Besetzungs-Umkehr

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zwischen dem hohen und dem niedrigen Laser-Niveau hervorruft, tritt eine Kompensation dieser Verringerung durch spontane Besetzungs-Übergänge in zweierlei Weise auf: Während einerseits der Verstärkungs-Verfahrensschritt das hohe Laser-Niveau ausreichend entleert hat, tritt ein Besetzungs-Defizit¹SBSIn Laser-Niveaus gegenüber dem mindestens einen hohen Zwischen. Niveau auf, woraus sich ein spontaner Übergang ergibt, der das hohe Laser-Niveau wieder besetzt;

während andererseits der Verstärkungs-Verfahrensschritt die Besetzung des niedrigen Laser-Niveaus erhöht hat, tritt ein Besetzungs-Überschuß gegenüber dem mindestens einen niedrigen Zwischen-Niveau auf, woraus sich ein spontaner Übergang ergibt, der das niedrige Laser-Niveau entleert.

Es gibt nun zahlreiche hohe bzw. niedrige Zwischen-Niveaus. Es bleibt daher nicht aus, daß diese spontanen Übergänge die Energiemenge erhöhen, die der zu verstärkenden Strahlung zuführbar Ist, was einer der Gründe dafür ist, daß die Kohlendioxid-Stickstoff-Laser einen besonders hohen Energie-VJirkungsgrad besitzen. Die Übergänge sind jedoch leider nicht so schnell wie erwünscht. Bei einem Kohlendioxid-Stickstoff -Gemisch bei Atmosphärendruck schwankt die Zeit der Übergänge zwischen 0,1 ns und einigen Dutzend Nanosekunden, je nachdem ob die Übergangszeit bzw. -zeiten zwischen Rotations-, Vibrations-Niveaus oder zwischen Stickstoff und Kohlendioxid betrachtet werden. Bei einem Kohlendioxid laser erfolgt für relativ kurze Zeiten der Größenordnung weniger Nanosenkunden der Besetzungs-Übergang nur zwischen Rotations-Niveaus, die dem gleichen 'vibrations -Niveau entsprechen. Die verschiedenen Ro tatioiB-Niveaus bilden,anders als die zum Las er-Üb er gang verwendeten, dann die Zwischen-Niveaus.

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Für längere Zeiten erfolgt der Besetzungs-Übergang auch be ipQtat ions--Niveaus des Stickstoffs. Es werden nun aber mitunter Impulse hoher Energie einer Länge gefordert, die kurzer als wenige Nanosekunden ist. Die spontanen Besetzungs-Übergänge können lediglich nur partiell auftreten während der Dauer eines derart kurzen Impulses. Dies sei anhand eines numerischen Beispiels erläutert. Ein Kohlendioxid-Stickstoff-Gemisch bei Atmosphärendruck ist geeignet angeregt und am Beginn des Verstärkungs-Verfahrensschritts geeignet einen Gewinn von 10 dB pro Meter zu erreichen. Bei einem Impuls von 1 ns kann eine Energie von drei Joule pro Liter des Gemisches erreicht werden. Bei einem Impuls von 70 ns ist ein Wert von 10 j/1 und bei einem Impuls von 1000 ns ein Wert von 20 .J/1 erreichbar.

Zur Verbesserung der Energiemenge, die einem Licht-Impuls durch ein aktives Material zugeführt werden kann, wird dieser Impuls herkömmlich mehrere Male oder mehrfach durch das aktive Material geführt. Dies wird durch eine Vorrichtung mit Mehrfachdurchtritt erreicht, die Spiegel enthält, die den Lichtimpuis nach einem ersten Durchtritt durch daß aktive Material umlenken oder reflektieren in das Material für einen zweiten Durchtritt und weiter für einen dritten Durchtritt. Bei den herkömmlichen Einrichtungen für Mehrfachdurchtritt ist nachteilig,daß wegen der im wesentlichen koaxialen Anordnung der Spiegel die Anzahl der dem Licht möglichen Durchtritte aufeine geringe Anzahl begrenzt ist, und daß bei jedem der Durchtritte nur sehr schwierig ein beträchtlicher Teil des aktiven Ma t er ia]s verwendbar ist.

Weiter ist festzustellen, daß bei bestimmten herkömmlichen Einrichtungen mit Mehrfachdurchtritt, bei denen die

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Spiegel einander gegenüberliegend beiderseits des aktiven

b RT^" β

Materials angeordnet sind, die Gefahr von Selbst-Schwingungen, d. h.,daß mit diesen Spiegeln und dem aktiven Material selbst ein Laser-Oszillator gebildet werden kann, was für die Erfindung als nachteilig und unerwünscht betrachtet wird, gemäß der ein Las er-Verstärker keine Licht-Schwingungen selbst erzeugen soll, sondern lediglich die durch einen außerhalb angeordneten Laser-Oszillator erzeugten Schwingungen verstärken soll.

Bestimmte geometrische, nicht koaxiale Anordnungen der Spiegel sind zusammen mic aktiven Verstärkermaterialien bekannt (vgl. FR-PS 1 361 121 vom 6.4.1964, oder die US-Patentanmeldung Nr. 205 597 vom 27.6.I962). Bei diesen Anordnungen soll jedoch zwischen zwei Durchtritten eines Lichtimpulses kein spontaner Besetzungs-Übergang zwischen bestimmten Zwischer-Niveaus und Laser-Niveaus erfolgen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Las er-Impuls-Verstärker zu schaffen, der kurze hochenergetische Laser-Impulse unter Vermeidung von Eigenschwingungen und unter Ausnutzung von Zwischen-Niveaus erzeugt.

Die Aufgabe wird bei einem Verstärker für von einem Laser-Oszillator abgegebene Laser-Impulse mit einem von einer Hilfs-Anregungsquelle gepumpten Licht-V er Stärkermaterial, das mehrere Energie-Niveaus auf v/eist, nämlich mindestens ein hohes Zwischen-Niveau, ein hohes Laser-Niveau, ein niedriges Laser-Niveau und mindestens ein niedriges Zwischen-Niveau, wobei der Laser-Übergang entsprechend dem vom Laser-Oszillator abgegebenen Laser-Impuls zwischen dem hohen und

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dem niedrigen Laser-Niveau erfolgt, und mit einer Gruppe von um das Verstärkermaterial angeordneten Spiegeln, die den Laser-Impuls von einem Spiegel zu einem anderen Spiegel in deren Folge umlenken, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spiegel so angeordnet sind, daß der Zeitabstand At₁ zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchtritten des Laser-Impulses im Verstärkermaterial größer ist als der Zeitabstand At2, der zum Besetzungs-Übergang zwischen dem hohen Zwischen-NIveau und dem hohen Laser-Niveau einerseits und zwischen dem niedrigen Laser-Niveau und dem niedrigen Zwischen-Niveau andererseits notwendig ist, wodurch das Verstärkermaterial zwischen jedem Durchtritt des Laser-Impulses in ihm durch Besetzungs-Tausch auf das niedrige bzw. hohe Laser-Niveau regenerierbar ist.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

FIg. 1 einen herkömmliehen Verstärker,

FIg. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verstärkers,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verstärkers.

In Fig.l gibt ein Laser-Oszillator 2 einen kurzen Lichtimpuls geringer Ene.rgie in Form eines parallelen Strahlenbündels oder Strahls geringen Querschnitts ab. Der Strahl tritt zunächst durch eine Mittelöffnung 4 eines konkaven sphärischen Spiegels 6 großer Fläche mit zum Strahl paralleler Achse. Der Strahl tritt anschließend durch einen aktiven Verstärkerbereich oder ein aktives Verstärkermaterial 8 koaxial zum Spiegel 6 nit im wesentlich gleichem Durch-

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messer. Der parallele Strahl trifft anschließend auf einen zurr- Spiegel 6 koaxialen Spiegel 10 mit einer im wesentlichen der Öffnung 4 entsprechenden Fläche. Der Spiegel 10 lenkt den parallelen Strahl geringen Querschnitts in Form eines divergierenden Strahls durch das aktive Material 8 zu dem konkaven Spiegel 6 derart um, daß der Strahl beim Auftreffen auf diesen konkaven Spiegel 6 den größten Teil dessen Fläche bedeckt. Die Spiegel 6 und 10 bilden ein afokales System, d. h., daß das vom konkaven Spiegel 6 erhaltene divergierende Strahlenbündel durch diesen in Richtung auf das aktive Material in Form eines parallelen Strahls bzv;. Strahlenbündels großen Querschnitts umgelenkt wird, der bzw. das durch praktisch das gesamte Volumen des aktiven Materials tritt. Der vom Oszillator 2 abgegebene Impuls niedriger Energie durchtritt daher dreimal das aktive Material 8 und wird bei jedem der Durchtritte verstärkt zur schließlichen Umsetzung in einen Ausgangsimpuls, der von einem Licht-Strahl großen Querschnitts getragen wird und der hohe .Energie besitzt.

Wenn die beiden Spiegel 6 und 10 mit ausreichendem Abstand beiderseits des aktiven Bereichs 8 angeordnet sind, ist leicht einzusehen, daß bei dieser herkömmlichen Einrichtung mit Mehrfachdurchtri# das Phänomen des spontanen Besetzungs-Übergangs, das innerhalb des aktiven Materials 8 auftreten kann, die Erhöhung der Energie des Ausgangs impuls es ermöglich, da eine bestimmte Zeit zwischen dem ersten und dem dritten Durchtritt des Impulses durch das aktive Material 8 vergeht. Daraus ergibt sich, daß bei einer derartigen koaxialen Anordnung der Spiegel 6 und 10 ohne außerordentliche Erhöhung des Abstandes zwischen den Spiegeln^ und 10,

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d. h. der Unhandlichkeit der gesamten Generatoranordnvjig _f eine erwünschte Erhöhung oder Vergrößerung des Zeitabstands zwischen dem ersten und dem letzten Durchtritt des Impulses durch das aktive Material 8 nicht möglich ist. Weiter werden bestimmte Bereiche des aktiven Materials lediglich zweimal oder gar nur lediglich einmal vom Lichtimpuls durchquert oder durchstrahlt, d. h. da3 die Möglichkeiten der Verbesserung des Energiewirkungsgrades durch das Phänomen des spontanen Besetzungs-Übergangs nur teilweise ausgenutzt v/erden.

Gemäß dem in der Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gibt ein Oszillator 2 einen kurzen Impuls geringer Energie in Form eines Strahleribündels oder Strahls mit Rechteckquerschnitt ab. Zur besseren Erläuterung sei angenommen, daß die Ebene Oxy der Fig. 2 eine Horizontalebene ist .und daß die Seiten des Rechteckquerschnitts des durch den Oszillator 2 abgegebenen Strahls vertikal bzw. horizontal sind. Der Strahl ist auf ein aktives Material 8 gerichtet, das die Form eines geraden Zylinders mit Kreisquerschnitt besitzt, dessen Höhe im wesentlichen mit der des vom Oszillator 2 abgegebenen Strahls zusammenfällt. Die eine der Vertikalebenen, d ie den Strahl seitlich begrenzen, durchquert im wesentlichen die Achse Ox des aktiven Materials 8, während die andere Vertikalebene, die den gleichen Strahl begrenzt, im wesentlichen die Zylinderfläche 12, die das aktive Material 8 begrenzt,tangiert. Der vom Oszillator 2 abgegebene Impuls erreicht auf diese Weise einen ersten Durchtritt durch einen Teil des aktiven Materials Er wird anschließend von einem (ersten) Spiegel M₁ empfangen oder aufgenommen, der entweder plan oder gering konkav ist, . der parallel zur Achse Oz ist und dessen Fläche im

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v?es ent lichen mit einem Querschnitt des Licht-Strahls zusammenfällt. Der Spiegel M₁ reflektiert den Lichtimpuls zum aktiven Material 8 so, daß er bei seinem zweiten Durchtritt einen Teil des aktiven Materials 8 durchsetzt, der annähernd symmetrisch zu dem ist, den er während des ersten Durchtritts durchsetzt oder durchstrahlt hat, jedoch mit einer geringen Winke !verschiebung. Nach dem zweiten Durchtritt durch das aktive Material 8 wird der Impuls von einem zweiten Spiegel "'„, analog dem Spiegel M₁, empfangen, der so angeordnet ist, daß er in das aktive Material umgelenkt oder reflektiert wird, damit er einen dritten Durchtritt durchführt, usw., derart^-daß der Impuls aufeinanderfolgend eine große Anzahl von Durchtritten durch das aktive Material ^erreicht, wobei er bei jedem Durchtritt nur eine Hälfte des Volumens des aktiven Materials 8 durchsetzt oder durchstrahlt. -Jeder der Spiegel M₁ bis M_{1 p} (allgemein M_n) ist im wesentlichen rechtwinklig und ist in der Höhe durch die beiden Horizontalebenen begrenzt, die das aktive Material 8 begrenzen. Die Spiegel sind derart entweder plan oder leicht konkav, daß der Licht-Strahl einen im wesentlichen konstanten Querschnitt beibehält trotz der Divergenz-Erscheinung, die im Verstärker-Material 8 beobachtbar ist, die fortschreitend den ganzen Licht-Strahl beeinflußt, der am Beginn parallel ist. Alle Spiegel sind parallel zur Achse Oz. Sie sind alle von der Achse 12 gleich beabstandet oder äquidistant und wirken gegeneinander durch geringe Winke!verschiebungen um die Achsel? zusammen. Die Ebenen der Spiegel sind niemals paarweise parallel,um Selbst-Schwingungen im Verstärker zu verhindern. Sie bilden eine Folge, innerhalb der jeder von ihnen einen Rang i einnimmt. Diese Folge entspricht der Folge der Durchtritte des

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Impulses durch das aktive Material 8: Jeder i-te Spiegel erhält den Impuls nach dessen i-ten Durchtritt durch das aktive Material 8 und der I-te Spiegel ist so angeorunet, daß er diesen Impuls in das aktive Material 8 umlenkt, um dort den (i + 1)-ten Durchtritt durch einen Teil des aktiven Materials 8 zu erreichen, der nicht mit dem übereinstimmt, der beim i-ten Durchtritt durchstrahlt worden ist. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Teile des aktiven Materials 8 Im wesentlichen die Hälften des Volumens des Materials 8, jedoch können die Teile größer oder kleiner als die Hälfte des Volumens sein; es ist ebenso möglich,daß bei jedem Durchtritt, wobei ein Teil des Strahls den Lichtimpuls trägt, d. h. der von der Achse 12 am entferntesten Teil, der Teil außerhalb des aktiven Materials 8 durchtritt, wobei selbstverständlich zurzeit des folgenden Durchtr it tr des Impulsen durch das aktive Material 8 dieser nicht verstärkte Teil zur Verstärkung das aktive Material 8 durchquert oder durchsetzt. Nach dem 15·(allgemein η-ten) Durchtritt durch das aktive Material 8 wird der vom letzten Spiegel IL· (allgemein M_n) empfangene Lichtimpuls durch diesen zum aktiven Material 8 umgelenkt, um einen 16-ten (allgemein (n+l)-ten) Durchtritt zu erreichen, wonach er auf keinen Spiegel mehr trifft. Aul' diese Weise wird ein Ausgangs impuls des Generators bzw. Verstärkers gemäß der Erfindung erhalten. Dabei ist festzustellen, daß bei dieser Anordnung die Teile des Licht-Strahls, die bei einem Durchtritt durch das aktive Material 8 am wenigstens verstärkt werden, die am weitesten von der Achse des Zylinders entfernten Teile sind. Sie sind jedoch die am meisten verstärkten wegen des folgenden Durchtritts

des nahe der Achse, was zur Erhöhung der Homogenität vom Strahl übertragenen kurzen und hochenergetischen Lichtimpulses beiträgt, der schließlich durch den Generator bzw. den Verstärker

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gemäß der Erfindung abgegeben wird.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorteilhaft eine große Anzahl von Durohtritten durch das aktive Material 8 des Lichtimpulses möglich. Es ist daher möglicn, ohne übermäßiges λ?" one inander ent fernen der Spiegel für den Zeitabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Durchtritt einen ausreichenden Wert vorzusehen, der es erlaubt, daß sich das Phänomen des spontanen Besetzungs-Übergangs in bedeutendem Maße entwickelt.

Bei einem ausgeführten Beispiel beträgt der Durchmesser des aktiven Materials 8 6? cm und dessen Höhe 20 cm. Die Spiegel M₁ bis M_1n- sind 2 m von der Achse 12 entfernt. Beim Eintritt weist der Lichtimpuls eine Energie von ca. Joule auf. Durch das aktive Material 8, das durch eine Mischung aus vier Volumenteilen Helium pro einem Volumenteil Kohlendioxid und einem Volumenteil Stickstoff bei Atmosphärendrucjc gebildet ist, wird ein Ausgangs impuls einer Energie von 280 Joule ermöglicht. Die Dauer dieses Impulses beträgt 2 ns. Diese Impulsdauer kann deutlich unter eine Nanosekunde verringert werden.

Die Anregung des aktiven Materials 8 kann mittels elektrischer Entladung zwischen zwei kreisförmigen, ebenen und horizontalen Elektroden erreicht werden, die das aktive Material 8 begrenzen, d. h. mit Abstand von 20 cm und einem Durchmesser von ca. 67 cm. Die Entladung erfolgt bei einer Spannung von 100 bis 200 kV mit einer Stromstärke von 2 bis 20 A/cm² und einer Dauer von 0,5 bis.5 ,us. Die Vorionisations-Quelle kann z. B. eine Elektronen-Kanone oder ein Elektronen-Strahlerzeuger sein, der bei einer Spannung

von I50 bis 200 kV mit einer Stromstärke von 50 mA/cm

und
arbeitet der vom aktiven Material 8 durch eine Titanfolie

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mit 20 /um Dicke getrennt ist, die für die Elektronen durchlässig ist, oder durch irgendeine andere übliche Einrichtung, die homogene und energiereiche Entladungen bei hohem Druck in einem Gemisch aus COg, Ng, He ermöglicht.

Das das aktive Material 8 bildende Gasgemisch kann das gesamte Volumen eines Raumes erfüllen, der die Spiegel M, bis M₁ c enthält. Das Gasgemisch kann auch lediglich in einem Volumen angeordnet sein, das demjenigen des aktiven Materials 8 entspricht und das seitlich durch eine entfernbare Dicht-Einrichtung begrenzt ist, die angehoben wird unmittelbar bevor der Lichtimpuls durch das aktive Material 8 geschickt oder gestrahlt wird. Dadurch wird vermieden, daß der Lichtstrahl bei jedem Durchtritt keine das aktive Material 8 begrenzenden Fenster zu durchqueren hat, was Leistungsverluste oder Verluste durch Absorption des nicht angeregten Gases hervorruft.

Das zweite, bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 3 dargestellt ist, ist dem ersten Ausführungsbeispiel sehr ähnlich. Deshalb werden lediglich die Unterschiede näher erläutert.

Der vom Oszillator 2 in Form eines parallelen Strahls mit Rechteckquerschnitt abgegebene kurze und niederenergetische Lichtimpuls durchstrahl das gesamte. Volumen des aktiven Materials 8. Die Größe des Lichtstrahls stimmt im wesentlichen mit einem Durchmesser des aktiven Materials 8 überein. Nach dem ersten Durchtritt durch das aktive Ma-

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terial 8 wird der Lichtimpuls von einem planen oder leicht konkaven ersten, Empfangs-Spiegel M₁ empfangen, dessen Fläche im wesentlichen mit einem Querschnitt des Licht-Strahls übereinstimmt. Der Spiegel M₁ ist parallel zur Achse Oz des aktiven Materials 8 und seine Achse ist im wesentlichen tangential zur zylindrischen Seitenfläche, die das aktive Material 8 begrenzt. Daraus ergibt sich, d_,aß der erste Spiegel M₁ den Lichtimpuls nach Verstärkung durch das aktive Material 8 zum zweiten Spiegel M₂ umlenkt. Der Licht-Strahl tritt dabei unmittelbar neben dem aktiven Material 8,ohne es zu durchqueren, vorbei.Der zweite Spiegel M₂ lenkt wie zuvor den Strahl zum aktiven Material 8 so um, daß er von neuem das gesamte Volumen durchstrahlt oder durchsetzt. Der Licht-Impuls wird anschließend vom dritten Spiegel M^ empfangen, der in zum vierten Spiegel M^ umlenkt, usw. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs Spiegel vorgesehen, d. h., daß der Impuls drei Durchtritte durch das gesamte Volumen des aktiven Materials 8 erreicht. Alle Spiegel sind von der Achse Oz gleich beabstandet und ihre Flächen sind parallel zu dieser Achse. Ihre Achsen sind im wesentlichen tangential zur zylindrischen Fläche, die das aktive Material 8 begrenzt. Die Spiegel haben Stellungen, die sich gegeneinander durch Winke!verschiebung um die Achse Oz herleiten. Jeder i-te Spiegel empfängt den Lichtimpuls nach dessen Durchtritt durch das aktive Material 8 und reflektiert ihn zum (i + l)-ten Spiegel ohne Durchquerung oder Durchstrahlung des aktiven Materials 8, wobei der (i + l)-te Spiegel ihn durch das aktive Material 8 umlenkt, wobei er einem neuen Durchtritt durch diesen aktiven Bereich 8 unterliegt. Bei einem ausgeführten Ausführungsbeispiel, bei dem das aktive Material aus der gleichen, wie zuvor beschriebenen Mischung besteht, das in gleicher Weise mit gleichen Spannungen und Stromstärken angeregt ist, beträgt die Höhe des aktiven Material 8 ebenfalls 20 cm, wobei der Durchmesser des aktiven Materials 8 1,3 in betragen kann. Der

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Abstand der Spiegel kann 2,5 m betragen. Der vom Oszillator abgegebene Impuls kann eine Energie von 10 Joule und eine Dauer von 1 ns besitzen. Der vom Generator bzw. Verstärker abgegegebene Ausgangsimpuls kann 96O Joule erreichen.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist vorteilhaft bei einem Verstärker material aus COp anwendbar, kann jedoch auch bei anderen aktiven Materialien mit schnellem spontanen Besetzungs-Übergang verwendet werden, wie bei einem Jod-Laser-Material, das bei 1,315 /um emittiert.

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Claims

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- IG Ansprüche

x_a 1. Verstärker für von einem Las er-Oszillator abgegebenen Laser-Impuls,

mit einem von einer Hilfs-Anregungsquelle gepumpten Licht-Verstärkermaterial, das mehrere Energie-Niveaus aufweist, nämlich mindestens ein hohes Zwischen-Niveau, ein hohes Laser-Niveau, ein niedriges Laser-Niveau und mindestens ein niedriges Zwischen-Niveau, wobei der Las er-Üb ergang entsprechend dem vom Laser-Oszillator abgegebenen Laser-Impuls zwischen dem hohen und dem niedrigen Laser-Niveau erfolgt, und mit einer Gruppe von um das Verstärkermaterial angeordneten Spiegeln, die den Laser-Impuls von einem Spiegel zu einem anderen Spiegel in deren Folge umlenken,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (M₁* M , ... M_n) so angeordnet sind, daß der Zeitabstand ( /· t₁) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchtritten des Las er-Impuls es im Verstärkermaterial größer ist als der Zeitabstand ( ._'_ to), der zum Besetzungs-Übergang zwischen dem hohen Zwischen-Niveau und dem hohen Laser-Niveau einerseits und zwischen demnLedrigen Laser-Niveau und dem niedrigen Zwischen-Niveau andererseits notwendig ist, wodurch das Verstärkermaterial zwischen jedem Durchtritt des Laser-Impulses in ihm durch Besetzungs-Tausch auf das niedrige bzw. das hohe Laser-Niveau regenerierbar ist.
2. Verstärker nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkermaterial zwischen zwei parallelen, zu einer Achse (Oz) senkrechten Ebenen angeordnet ist, und daß die Spiegel (M₁, M₂ ... M) so angeordnet sind, daß die Lichtimpuls-Bahn zwischen den Spiegeln (M,, M_? ... M) senkrecht

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zur Achse (Oz) ist.
3·. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Verstärkermaterial zylindrisch mit einer Achse (Oz) ist,

daß die Größe des Laser-Strahls in einer Ebene (Oxy) senkrecht zur Achse (Oz) etwa gleich dem Radius des Kreisquerschnitts des Verstärkermaterials (8) in dieser Ebene (Oxy -]e

daß η im wesentlichen rechteckige Spiegel (M₁, M₂ ... M_n) mit zur Achse (Oz) parallelen Spiegelebenen ringförmig mit gleichen Winkelabständen um das Verstärkermaterial (8) angeordnet sind,

daß das Verstärkermaterial (8) so angeordnet ist, daß der vom Las er-Oszillator (2) abgegebene Laserstrahl durch im wesentlichen eine Hälfte des Verstärkernaterial-Volumens tritt,

daß der erste Spiegel (H₁) so ausgerichtet ist, daß er den vom Las er-Oszillator (2) abgegebenen Laser-Strahl nach Durchtritt durch die zweite H"lfte des Verstärkerwaterial-Volumens zum zweiten Spiegel (K^) umlenkt,

daß der zweite Spiegel (K^) den Laser-Strahl nach Durchtritt durch eine weitere Hälfte des Verstärkernaterial-Volumens zum dritten Spiegel (r/U) umlenkt, usw., daß der i-te Spiegel (IVI₁) den Laser-Strahl nach Durchtritt durch eine Hälfte des Verstärkermaterial-Volumens zum (i + 1)-ten Spiegel (Mj, ^ ) und der (i+l)-te Spiegel'M_i+1) den Laser-Strahl nach Durchtritt durch die zweite Hälfte des Verstärkermaterial-Volumens zum (i + 2)-ten Spiegel (KjI₊₂) umlenkt, usw., und

daß der letzte, n-te, Ausgangs-Spiegel (M_n) den so verstärkten Laser-Strahl nach Durchtritt durch das Verstärkermaterial· (8) nach außen umlenkt (Fig. 2).

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BAD ORIQfNAL
4. Verstärker nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet,

daß das Verstärkermaterial (8) zylindrisch rnit einer Achse (Oz) ist,

daß die Größe des vom Laser-Oszillator (2) abgegebenen Laser-Strahls in einer Ebene (Oxy) senkrecht zur Achse (Oz) etwa gleich dem Durchmesser des Kreisquerschnitts des Verstärker materials (8) in dieser Ebene (Oxy) ist,

daß η im wesentlichen rechteckige Spiegel (M₁* T-U ... M) mit zur Achse (Oz) parallelen Spiegelebenen ringförmig mit gleichen Winkelabständen um das Verstärkermaterial (8) angeordnet sind,

daß das Verstärkermaterial (8) so angeordnet ist, daß der vorn Laser-Oszillator (2) abgegebene Laser-Strahl durch im wesentlichen das Verstärkermaterial-Volumen tritt,

daß der erste Spiegel (M₁) so ausgerichtet ist, daß er den vom Laser-Oszillator (2) abgegebenen Laser-Strahl zum zweiten Spiegel (Mp) umlenkt, ohne daß der Laser-Strahl zwischen den beiden Spiegeln (M-^, M₂) durch das Verstärkerrr.aterial (8) tritt,

daß der zweite Spiegel (Mp) den Laser-Strahl nach Durchtritt durch im wesentlichen das gesamte Verstärkermaterial (8) zum dritten Spiegel (F-O umlenkt, usw.,

£- ο \ j j durch

daß der i-te Spiegel (M₁) den Laser-Strahl nach Durchtritt im wesentlichen das gesamte. Volumen des V er star ker materials (8) zum (i+l)-ten Spiegel (M_i+1) und der (i+l)-te Spiegel (M. -^) den Laser-Strahl zum (i+2)-ten Spiegel (M. ₂) umlenkt, ohne daß der Laser-Strahl zwischen diesen beiden Spiegeln ( )

M o) durch das Verstärkermaterial (8) tritt, usw., und

daß der letzte, n-te, Ausgangs-Spiegel (M ) den so verstärkten Laser-Strahl nach einem letzten Durchtritt durch das Verstärkermaterial (8) nach außen umlenkt (Fig. 3).

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- iq -
5, Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,daß die Spiegel (M₁, Mg ... Pl) Planspiegel sind.
6. Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis k, dadurch gekennzeichn

konkav sind.

gekennzeichnet, daß die Spiegel (M₁, M₂ ... M) leicht
7. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser-Oszillator (2) ein im Infrarot-Bereich emittierender Kohlendioxid-Laser-Oszillator ist, unddaß das Verstärkermaterial (8) eine Mischung ist, die im wesentlichen Kohlendioxid und Stickstoff enthält und durch elektrische Entladung gepumpt ist.

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